La lumière qu'émet un atome n'est pas qu'un simple flash. Elle porte l'empreinte de l'état dans lequel se trouvait l'atome au moment de l'émission. Des physiciens ont pris un qubit supraconducteur — un atome artificiel de la taille d'une puce électronique — et l'ont fait briller dans un guide d'ondes ouvert, comme une ampoule dans un long couloir. Ensuite, ils ont capturé chaque photon et observé comment sa phase variait.
La superposition quantique, c'est quand un atome se trouve simultanément dans deux états, comme une pièce qui tourne et n'est encore ni pile ni face. Il s'avère que la statistique des phases des photons émis conserve cette dualité. Même si le bruit est important, la distribution des phases reste discernable : elle est plus large que celle d'un état ordinaire, « retombé ».
Avec le temps, la pièce quantique ralentit et retombe : le qubit perd sa cohérence. Les scientifiques l'ont observé grâce à deux indices. L'enveloppe du signal — la luminosité globale du flash — décroît, ce qui montre à quelle vitesse le qubit cède son énergie. Et la distribution des phases s'élargit, ce qui indique une décohérence pure — le processus par lequel l'information quantique s'échappe dans l'environnement sans changer l'énergie.
La statistique des phases s'est révélée être une sonde quantitative directe de la cohérence. Cette méthode permet de surveiller la santé d'un qubit simplement en observant la lumière qu'il émet. C'est crucial pour les ordinateurs quantiques, où chaque qubit doit rester en superposition le plus longtemps possible.
La lumière s'est avérée être un miroir du monde quantique : elle nous renvoie l'histoire de l'atome au moment de l'émission. Et plus nous examinons la phase attentivement, plus nous voyons clairement la fragile pièce quantique retomber sur la table.
Un qubit supraconducteur fonctionne à une température inférieure à 0,1 kelvin — c'est plus froid que dans l'espace interstellaire. À cette température, il se comporte comme un atome unique, bien qu'il soit constitué de milliards d'atomes métalliques.
L'idée de lire l'état quantique à partir de la lumière émise rappelle les « sabres laser » de « Star Wars » : là-bas, l'arme brille selon le réglage du cristal, ici, le rayonnement révèle l'état interne du qubit.